Зоологи получили новое представление о двигательной функции конечностей разных размеров. Длинные, тяжелые конечности, такие как руки или ноги, коренным образом отличаются от коротких и легких конечностей, таких как пальцы, своей способностью выполнять быстрые движения. В то время как центральная нервная система должна активно контролировать быстрые движения крупных конечностей, пассивной мышечной силы может быть достаточно для скорости движения и амплитуды движений маленьких и легких конечностей. Это результат исследования палочника, проведенного зоологами Ансгаром Бюшгесом, Арндтом фон Твикелем и Кристофом Гушльбауэром из Кельнского университета в сотрудничестве с приглашенным ученым Скоттом Хупером из Университета Огайо. В настоящее время статья опубликована под заголовком «Профили скорости качания малых конечностей могут возникать только в результате транзиторных пассивных крутящих моментов мышцы-антагониста» в журнале Current Biology.
Существуют различные базовые уровни скорости в ходе движения до тех пор, пока все моторное действие не будет оптимально выполнено, говорит Бюшгес: возвращает ногу в исходное положение для следующего шага. Благодаря этой обратной связи скорость маха ногой уменьшается к концу, так что ступня не так быстро касается земли. Без замедления сила, возникающая при приземлении, была бы настолько велика, что противодействовала бы следующему шагу». Наша нервная система производит это замедление в больших конечностях, таких как человеческая нога.
Для более мелких конечностей, таких как кости насекомых, авторы показали, однако, что замедление ноги во время быстрых движений, таких как фаза раскачивания, не зависит от центральной нервной системы. Фон Твикель объясняет, что это связано с внутренними характеристиками мышц конечности: «Если мышца-разгибатель сустава ноги активно укорачивается для выполнения быстрых движений, неактивная мышца-сгибатель обязательно удлиняется. Во время этого растяжения мышца-сгибатель развивает ранее неизвестную динамическую пассивную силу, которая настолько велика, что может непрерывно замедлять движения до функционально необходимого уровня.
В ходе исследования авторы подвергли мышцу-сгибатель ноги палочника различным сценариям растяжения и измерили динамические силы, проявляемые пассивной мышцей при различных растяжениях. Затем они использовали результаты для динамического моделирования функционирования сустава ноги. Пассивные динамические силы сгибателей, вызванные активацией разгибателей, могли генерировать движение, соответствующее профилю скорости животного.
Эти результаты довольно удивительны и противоречат широко распространенным представлениям о том, как маленькие конечности выполняют быстрые движения. Бюшгес заключает: «Мы давно знали, что пассивные мышечные силы важны для движений мелких конечностей, но мы не ожидали, что их влияние настолько велико, что они могут определять скоростной профиль движения. Это означает, что активная мышца и ее противник должны быть идеально настроены друг на друга. Мы находимся в процессе лучшего понимания этого взаимодействия».